一种基于ISBS的波长和相位自适应的声子速度检测装置

一种基于isbs的波长和相位自适应的声子速度检测装置
技术领域
1.本发明涉及非线性光学领域，具体是一种基于isbs的波长和相位自适应的声子速度检测装置。


背景技术：

2.声子速度是描述介质振动和机械响应的基本物理量，通过介质声子速度的测量，可对体系的密度、体弹性模量、气体或液体介质组分等参量进行分析计算，因此，介质的声子速度检测有重要意义。
3.布里渊散射技术是一种测量声子速度的光学检测方法，由于其非接触、非侵入、无标签的独特优势，成为声子速度检测的强有力的工具。基于布里渊散射法测量声子速度的独特优势与广泛应用，如何进一步提高检测效率有很大的实际意义。而基于脉冲受激布里渊散射(impusive stimulated brillouin scattering，isbs)的技术通过两束相干泵浦光在样品上激发产生受激布里渊瞬态光栅，再用探测光对激发区域探测，得到样品的声子速度信息。其相较于传统的布里渊散射方法，能够提高信号强度、信噪比以及信号采集速度，缩短采集时间，并且结构简单、造价低廉，逐渐成为研究人员关注的热点领域。但是其只能测量特定入射波长样品介质的声子速度，特定的波长限制了样品的选择，给测量带来不便，而且尽管目前isbs技术可以大大提高受激布里渊信号的强度和信噪比，但对于测量结果的精确度还需要进一步提高。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于isbs的波长和相位自适应的声子速度检测装置。
5.本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种基于isbs的波长和相位自适应的声子速度检测装置，其特征在于，该装置包括光源、自适应反馈光路系统、样品容器、外差信号光采集装置和光电探测器；
6.自适应反馈光路系统包括波长自适应调谐系统、聚焦透镜一、透射光栅和4f透镜装置；波长自适应调谐系统形成泵浦光和探测光，并根据光电探测器的探测信号自适应调节泵浦光和探测光的波长；聚焦透镜一将泵浦光和探测光合束形成的合束光会聚在透射光栅上；透射光栅使泵浦光和探测光发生衍射；4f透镜装置只保留泵浦光的正负一级衍射光和探测光的正负一级衍射光，其余衍射级的光束均被阻挡在4f透镜装置构成的傅里叶空间中，并根据光电探测器的探测信号自适应调节探测光的正一级衍射光的相位；
7.样品容器用于放置待测样品；
8.外差信号光采集装置用于将穿过样品后的光束进行去除，只保留包含样品声子速度信息的外差信号光；
9.光电探测器与自适应反馈光路系统通讯连接，将外差信号光的光信号转换为相应的电信号，反馈到自适应反馈光路系统中实现对泵浦光波长、探测光波长以及探测光相位
的自适应调节，并且该电信号通过后续的数据处理，能够得到样品的声子速度。
10.与现有技术相比，本发明有益效果在于：
11.(1)本发明通过将光电探测器采集到的电信号反馈到自适应反馈光路系统中实现对波长和相位的自适应调节，提高了声子速度检测的效率和精确度。
12.(2)本发明通过波长自适应调节，扩大了检测样品的种类，能够实现对多种样品或同一样品不同组分声子速度的检测，同时，使得探测信号性能更好，得到的声子信息更精确。
13.(3)本发明通过相位自适应调节，消除泵浦光和探测光之间的光程差，能够更精确的探测受激布里渊瞬态光栅的结构，并且可以实现正相、反相的连续相位调节，提高外差信号光的强度，提高检测效率。
14.(4)本发明通过结构设计，提高了受激布里渊信号的强度、信噪比、采集速度，能够更精确的探测受激布里渊瞬态光栅的结构，提高了样品声子速度的检测效率和精度。
15.(5)本发明采用4f透镜装置，泵浦光的激发区域理论上被大大提高，探测光自动满足样品中受激布里渊瞬态光栅的布拉格条件，不需要复杂的时延对准装置。
16.(6)本发明具有结构简单、操作方便的特点，在未来可以扩展到对生物医学领域机械力学的研究中。
附图说明
17.图1为本发明的整体结构示意图；
18.图2为本发明的自适应反馈光路系统的结构示意图。
19.图中，光源1、自适应反馈光路系统2、样品容器3、外差信号光采集装置4、光电探测器5；
20.波长自适应调谐系统2-1、聚焦透镜一2-2、透射光栅2-3、4f透镜装置2-4；
21.分束镜2-1-1、可调谐滤波器一2-1-2、光阑一2-1-3、反射镜一2-1-4、反射镜二2-1-5、可调谐滤波器二2-1-6、光阑二2-1-7、二向色镜2-1-8；
22.消色差凸透镜一2-4-1、挡板一2-4-2、中性密度滤波片2-4-3、消色差凸透镜二2-4-4、相位调制器2-4-5；
23.挡板二4-1、反射镜三4-2、滤波片4-3、光阑三4-4、聚焦透镜二4-5。
具体实施方式
24.下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本发明权利要求的保护范围。
25.本发明提供了一种基于isbs的波长和相位自适应的声子速度检测装置(简称装置)，其特征在于，该装置包括光源1、自适应反馈光路系统2、样品容器3、外差信号光采集装置4和光电探测器5；
26.光源1为高功率皮秒脉冲超连续谱光源，提供泵浦光与探测光；
27.自适应反馈光路系统2包括波长自适应调谐系统2-1、聚焦透镜一2-2、透射光栅2-3和4f透镜装置2-4；波长自适应调谐系统2-1形成泵浦光和探测光，并根据光电探测器5的探测信号自适应调节泵浦光和探测光的波长；聚焦透镜一2-2的作用是将泵浦光和探测光
合束形成的合束光会聚在透射光栅2-3上；透射光栅2-3的作用是使泵浦光和探测光发生衍射；4f透镜装置2-4的作用是只保留两束相干的泵浦光和探测光(即泵浦光的正负一级衍射光和探测光的正负一级衍射光)，其余衍射级的光束均被阻挡在4f透镜装置2-4构成的傅里叶空间中，并根据光电探测器5的探测信号自适应调节探测光的正一级衍射光的相位；
28.样品容器3用于放置待测样品；
29.外差信号光采集装置4用于将穿过样品后的光束进行去除，只保留包含样品声子速度信息的外差信号光；
30.光电探测器5与自适应反馈光路系统2通讯连接，将外差信号光的光信号转换为相应的电信号，反馈到自适应反馈光路系统2中实现对泵浦光波长、探测光波长以及探测光相位的自适应调节，并且该电信号通过后续的数据处理，能够得到样品的声子速度。
31.优选地，所述波长自适应调谐系统2-1包括分束镜2-1-1、可调谐滤波器一2-1-2、反射镜一2-1-4、反射镜二2-1-5、可调谐滤波器二2-1-6和二向色镜2-1-8；所述4f透镜装置2-4包括消色差凸透镜一2-4-1(本实施例中焦距f1＝75mm)、挡板一2-4-2、消色差凸透镜二2-4-4(本实施例中焦距f2＝300mm)和相位调制器2-4-5；
32.分束镜2-1-1用于将光源1发出的光(本实施例为超连续谱光)分为透射光和反射光；可调谐滤波器一2-1-2用于将透射光调整为固定波长的光作为泵浦光；反射镜一2-1-4用于将泵浦光引导进入二向色镜2-1-8中；可调谐滤波器二2-1-6用于将反射光调整为固定波长的光作为探测光；反射镜二2-1-5用于将探测光引导进入二向色镜2-1-8中；二向色镜2-1-8用于将泵浦光和探测光合束，形成合束光；
33.消色差凸透镜一2-4-1和消色差凸透镜二2-4-4之间形成傅里叶空间；挡板一2-4-2用于去除泵浦光和探测光的零级衍射光；除了泵浦光和探测光的正负一级衍射光外，其余衍射级都被阻挡在傅里叶空间中；相位调制器2-4-5设置于探测光的正一级衍射光的光路上。
34.优选地，光源1的出射光光路与分束镜2-1-1的入射光光路重合；分束镜2-1-1的透射光光路与可调谐滤波器一2-1-2的入射光光路重合；可调谐滤波器一2-1-2的出射光光路与反射镜一2-1-4的入射光光路重合；反射镜一2-1-4的反射光光路与二向色镜2-1-8的入射光光路重合；分束镜2-1-1的反射光光路与反射镜二2-1-5的入射光光路重合；反射镜二2-1-5的反射光光路与可调谐滤波器二2-1-6的入射光光路重合；可调谐滤波器二2-1-6的出射光光路与二向色镜2-1-8的入射光光路重合；二向色镜2-1-8的出射光光路与聚焦透镜一2-2的入射光光路重合；
35.聚焦透镜一2-2的出射光光路与透射光栅2-3的入射光光路重合；透射光栅2-3的衍射光光路与消色差凸透镜一2-4-1的入射光光路重合；消色差凸透镜一2-4-1的出射光光路与消色差凸透镜二2-4-4的入射光光路重合；消色差凸透镜二2-4-4的出射光光路与样品容器3中的样品的入射光光路重合；消色差凸透镜一2-4-1和消色差凸透镜二2-4-4之间形成傅里叶空间；挡板一2-4-2设置于聚焦透镜一2-2的中心延长线上，且位于傅里叶空间中用于去除泵浦光和探测光的零级衍射光；除了泵浦光和探测光的正负一级衍射光外，其余衍射级都被阻挡在傅里叶空间中；相位调制器2-4-5设置于探测光的正一级衍射光的光路上；
36.样品容器3中的样品的出射光光路与外差信号光采集装置4的入射光光路重合；外
差信号光采集装置4的出射光射入光电探测器5中，在光电探测器5中将外差信号光(即探测光的布拉格衍射光和探测光的本振光构成的混频光)的光信号转换为电信号；
37.光电探测器5分别与可调谐滤波器一2-1-2、可调谐滤波器二2-1-6和相位调制器2-4-5通讯连接，进行信号传输。
38.优选地，波长自适应调谐系统2-1还包括光阑一2-1-3和光阑二2-1-7；可调谐滤波器一2-1-2的出射光光路与反射镜一2-1-4的入射光光路重合，光路间设置有光阑一2-1-3；可调谐滤波器二2-1-6的出射光光路与二向色镜2-1-8的入射光光路重合，光路间设置有光阑二2-1-7。光阑一2-1-3和光阑二2-1-7用于缩小光束孔径，调整光斑形状使其更加规范。
39.优选地，透射光栅2-3为闪耀光栅，闪耀波长与泵浦光和探测光的波长相对应。
40.优选地，4f透镜装置2-4还包括中性密度滤波片2-4-3；中性密度滤波片2-4-3设置于探测光的负一级衍射光的光路上，用于降低探测光的本振光的光强，便于与探测光的布拉格衍射光匹配，进而得到外差信号光。
41.优选地，外差信号光采集装置4包括挡板二4-1、反射镜三4-2、滤波片4-3和聚焦透镜二4-5；挡板二4-1用于去除部分泵浦光；反射镜三4-2用于将外差信号光与部分泵浦光反射到滤波片4-3上；滤波片4-3用于滤除所有泵浦光；聚焦透镜二4-5用于将外差信号光聚焦在光电探测器5中。
42.优选地，样品容器3中的样品的泵浦光的负一级衍射光和探测光的负一级衍射光的透射光光路与反射镜三4-2的入射光光路重合；样品容器3中的样品的泵浦光的正一级衍射光和探测光的正一级衍射光的透射光光路上设置有用于去除部分泵浦光的挡板二4-1；反射镜三4-2的反射光光路与滤波片4-3的入射光光路重合，通过滤波片4-3滤除所有泵浦光；滤波片4-3的出射光光路与聚焦透镜二4-5的入射光光路重合；聚焦透镜二4-5的出射光射入光电探测器5中。
43.优选地，外差信号光采集装置4还包括光阑三4-4；滤波片4-3的出射光光路与聚焦透镜二4-5的入射光光路重合，光路间设置有光阑三4-4；光阑三4-4用于缩小光束孔径，调整光斑形状使其更加规范。
44.优选地，为了更好地滤除泵浦光，提高外差信号光的信噪比，反射镜三4-2镀高反膜，滤波片4-3采用长通滤波片。
45.本发明的工作原理和工作流程是：
46.使用时，光源1发出的皮秒脉冲的超连续谱光进入波长自适应调谐系统2-1，超连续谱光由分束镜2-1-1分为透射光和反射光，透射光和反射光相互垂直；
47.透射光进入可调谐滤波器一2-1-2，将透射光调整为固定波长的光作为泵浦光，再由反射镜一2-1-4引导进入二向色镜2-1-8中；反射光由反射镜二2-1-5引导进入可调谐滤波器二2-1-6，将反射光调整为固定波长的光作为探测光，再进入二向色镜2-1-8中；在二向色镜2-1-8中，泵浦光所在波段反射，探测光所在波段透射，将泵浦光和探测光合束，形成合束光；合束光经过聚焦透镜一2-2会聚，得到聚焦光束；聚焦光束会聚在透射光栅2-3上发生衍射，4f透镜装置2-4分别选取泵浦光的正负一级衍射光和探测光的正负一级衍射光会聚在样品容器3中的样品上；其中，泵浦光的正负一级衍射光作为激发光，在样品容器3中的样品内部激发isbs效应，产生受激布里渊瞬态光栅；探测光的正负一级衍射光通过受激布里渊瞬态光栅发生布拉格衍射，得到探测光的布拉格衍射光，该布拉格衍射光包含样品的声
子速度信息；
48.穿过样品后的光束(包括外差信号光探测光的布拉格衍射光、探测光的本振光和泵浦光，外差信号光由探测光的布拉格衍射光和本振光构成)，经过挡板二4-1去除部分泵浦光后，外差信号光与部分泵浦光通过反射镜三4-2反射到滤波片4-3上，由滤波片4-3滤除所有泵浦光，再由光阑三4-4减小光束，得到外差信号光；再将外差信号光经聚焦透镜二4-5聚焦在光电探测器5中，将探测光的布拉格衍射光作为入射信号光，将探测光的本振光作为参考光，通过外差检测法，在光电探测器5中将光信号转换为相应的电信号，再通过外接的计算机等上位机将电信号经过数据处理转化为时域波形，再对时域波形进行傅里叶变化，得到的傅里叶频率即声子频率f(也即布里渊频率)；通过公式d＝(g
×
f2)/(2
×
f1)和f＝(4
×cs
×
f1)/(g
×
f2)，式中d为光栅条纹间距、g为透射光栅常数、f1为消色差凸透镜一2-4-1的焦距、f2为消色差凸透镜二2-4-4的焦距，得到样品的声子速度cs＝f
×
d/2。
49.安装或者更换样品容器3中的样品的种类后，将光电探测器5产生的对应的电信号反馈到自适应反馈光路系统2中，可调谐滤波器一2-1-2和可调谐滤波器二2-1-6根据此电信号自适应调节所需的泵浦光波长和探测光波长，实现波长自适应调节；相位调制器2-4-5根据此电信号对探测光的正一级衍射光的相位进行自适应调节，消除泵浦光和探测光之间的光程差，并且可以实现正相、反相的连续相位调节，提高外差信号光的强度，提高检测效率。
50.优选地，可调谐滤波器一2-1-2和可调谐滤波器二2-1-6均可以先设置一个默认的初始值，光电探测器5会得到相应的电信号(即初始电信号)，再将这个电信号反馈给可调谐滤波器一2-1-2、可调谐滤波器二2-1-6和相位调制器2-4-5进行反馈调节。
51.本发明未述及之处适用于现有技术。